Caracterização genômica dos profagos e elementos parecidos com profagos nas bactérias láticas do gênero Weissella
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Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Genomic characterization of prophages and phage-like elements in lactic acid bacteria of the genus Weissella
Primeiro orientador
Membros da banca
Alvaro Cantini Nunes
Gabriel Magno de Freitas Almeida
Paula Luize Camargos Fonseca
Savio Henrique de Cicco Sandes
João Locke Ferreira de Araújo
Gabriel Magno de Freitas Almeida
Paula Luize Camargos Fonseca
Savio Henrique de Cicco Sandes
João Locke Ferreira de Araújo
Resumo
Bactérias ácido láticas (BAL) constituem um grupo de microrganismos amplamente distribuídos
em alimentos e na microbiota de humanos e animais. Ao longo das décadas, essas bactérias
desempenharam um papel fundamental na indústria de alimentos, servindo como culturas
fermentadoras essenciais. Mais recentemente, elas emergiram como agentes probióticos,
oferecendo benefícios à saúde humana. O gênero Weissella, pertencente às BAL, ainda não
possui membros caracterizados como probióticos. No entanto, destaca-se como uma área de
pesquisa intrigante, uma vez que algumas de suas linhagens têm demonstrado potencial para
serem caracterizados como probióticos. E dentre esses candidatos, a caracterização de seus
profagos, que desempenham um papel vital na transferência de genes e na modulação das
comunidades microbianas, permanece notavelmente subexplorada. Neste estudo, adotamos
uma abordagem abrangente que incluiu 313 genomas disponíveis no banco de dados do National
Center for Biotechnology Information (NCBI) e o sequenciamento, anotação e análise funcional
dos genomas de três novas linhagens de Weissella: W. cibaria 1BM, W. confusa GIR46L4 e W.
paramesenteroides V3B-11. Nossos resultados revelaram uma característica intrigante das
Weissella: a presença de sistemas de restrição e modificação de sequências, como
RM/DRUANTIA/DISARM, que desempenham um papel vital na defesa contra fagos. Esses
sistemas promovem a coevolução entre as bactérias e os fagos, facilitando a incorporação de
profagos e genes virais em seus genomas e a modificação dos profagos já existentes. Esta
dinâmica é crucial para a sobrevivência dessas bactérias em ambientes desafiadores e para sua
capacidade de competir eficazmente com outras espécies bacterianas. Outro aspecto relevante
abordado foi a análise do sistema CRISPR-Cas. Detectamos variações em sua ocorrência e eficácia
entre as diferentes espécies de Weissella. O gênero, em geral, apresenta sistemas CRISPR-Cas
menos desenvolvidos, com a exceção notável da espécie W. soli, que apresentou dois subtipos
distintos desse sistema. No entanto, a presença de espaçadores em número limitado em algumas
espécies sugere uma possível limitação na capacidade de combate a fagos. Além disso,
identificamos a preservação de profagos específicos em diferentes espécies de Weissella,
destacando a riqueza e complexidade da diversidade genética presente nesses microrganismos.
Quando se trata de resistência a antibióticos, nossa investigação não encontrou genes com alta
identidade que representassem um risco significativo de transferência genética horizontal. A
maioria dos genes de virulência compartilhava semelhanças com genes virais estruturais, sem
alta identidade. Também identificamos proteínas virais com potencial em aplicações biomédicas,
ampliando as possíveis utilizações desses microrganismos. Em resumo, este estudo proporciona
uma compreensão mais profunda dos profagos em bactérias do gênero Weissella, destacando
seu papel na evolução bacteriana e apontando para uma relativa segurança em relação à
disseminação de genes de importância clínica. Este estudo aborda uma lacuna na pesquisa
relacionada ao gênero Weissella, seus profagos e suas implicações biológicas. Diante da
crescente relevância das bactérias ácido láticas (BAL) e dos fagos, bem como do interesse no
potencial biotecnológico das Weissella, nosso objetivo foi contribuir para a classificação do
gênero como status GRAS (Generally Recognized As Safe) ou status QPS (Qualified Presumption
of Safety). Essa abordagem fornece insights importantes sobre as interações fago-bactéria, com
implicações significativas para a segurança e aplicações biotecnológicas das Weissella.
Abstract
Lactic acid bacteria (LAB) constitute a group of microorganisms widely distributed in food and
the microbiota of humans and animals. Over the decades, these bacteria have played a
fundamental role in the food industry, serving as essential fermenting cultures. More recently,
they have emerged as probiotic agents, offering health benefits to humans. The genus Weissella,
belonging to LAB, does not yet have members characterized as probiotics. Despite this, it stands
out as an intriguing research area, as some of its strains have shown potential to be characterized
as probiotics. Nevertheless, the characterization of their prophages, which play a vital role in
gene transfer and the modulation of microbial communities, has remained notably
underexplored. In this study, we adopted a comprehensive approach that included 313 genomes
available at the National Center for Biotechnology Information (NCBI) and the sequencing,
annotation, and functional analysis of the genomes of three new Weissella strains: Weissella
cibaria 1BM, Weissella confusa GIR46L4, and Weissella paramesenteroides V3B-11. Our results
revealed an intriguing feature of Weissella: restriction-modification systems, such as
RM/DRUANTIA/DISARM, which play a vital role in defense against phages. These systems
promote coevolution between bacteria and phages, facilitating the incorporation of prophages
and viral genes into their genomes and modifying existing prophages. This dynamic is crucial for
the survival of these bacteria in challenging environments and their ability to compete effectively
with other bacterial species. Another relevant aspect addressed was the analysis of the CRISPRCas system. We detected variations in its occurrence and effectiveness among different Weissella
species. The genus generally presents less developed CRISPR-Cas systems, with the notable
exception of the Weissella soli species, which exhibited two distinct subtypes of this system.
However, the limited number of spacers in some species suggests a potential limitation in their
ability to combat phages. Additionally, we identified the preservation of specific prophages in
different Weissella species, highlighting the richness and complexity of the genetic diversity
present in these microorganisms. Concerning antibiotic resistance, our investigation did not find
genes with high identity representing a significant risk of horizontal gene transfer. Most virulence
genes shared similarities with structural viral genes but lacked high identity. We also identified
viral proteins with potential biomedical applications, expanding the possible uses of these
microorganisms. In summary, this study provides a deeper understanding of prophages in
Weissella bacteria, highlighting their role in bacterial evolution and pointing to relative safety
regarding the dissemination of clinically important genes. This study addresses a gap in research
related to the Weissella genus, its prophages, and their biological implications. Given the
increasing relevance of LAB and phages, as well as the interest in the biotechnological potential
of Weissella, our goal was to contribute to the classification of the genus as GRAS (Generally
Recognized As Safe) or QPS (Qualified Presumption of Safety) status. This approach offers
important insights into phage-bacteria interactions, with significant implications for the safety
and biotechnological applications of Weissella.
Assunto
Genética, Probióticos, Weissella, Prófagos
Palavras-chave
Profagos, Fagos, Weissella, Bioinformática, Evolução bacteriana